聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)異的減摩性和良好的自潤滑性, 但耐磨性較差。目前國內(nèi)外對PTFE的研究重點集中在尋找適當(dāng)?shù)姆椒▽ζ溥M(jìn)行改性, 一般采用填充改性、表面改性和共混改性等方法彌補(bǔ)PTFE自身的缺陷。隨著碳材料技術(shù)水平的提高和應(yīng)用范圍的推廣, 出現(xiàn)了許多新型碳材料。許多學(xué)者對不同碳材料填充復(fù)合材料摩擦磨損性能進(jìn)行了研究。軟碳是通過高溫裂解有機(jī)芳香族化合物或者亞穩(wěn)態(tài)瀝青獲得的, Bus的尺寸為(20～100)×10^-10m, 它們能夠形成層間入混合物或氧化石墨,在遠(yuǎn)低于最高熱處理(HTT)溫度的情況下就能夠形成無序態(tài)碳。軟碳是鋰離子電池負(fù)極的主要板, 可大大增加有效攻擊范圍。將軟碳作為填料增強(qiáng)復(fù)合材料摩擦磨損的研究鮮有報道。本文作者采用軟碳增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能, 考察了其含量對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。利用掃描電子顯微鏡探討了復(fù)合材料的磨損機(jī)制。

1、試驗部分

1.1、材料制備

　　所用PTFE為濟(jì)南化工廠生產(chǎn), 平均粒度50μm,軟碳平均直徑小于等于400nm。試驗材料的制備是將軟碳按質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、7%、10%、15%加入到PTFE中, 用高速攪拌機(jī)混合, 經(jīng)過預(yù)冷壓燒結(jié)成型,機(jī)加工成毛坯制品, 按實驗要求將材料銑成試樣, 在800#金相砂紙上打磨, 用干棉球擦干凈。試樣尺寸為6mm×7mm×30mm。

1.2、試驗方法

　　采用MM-200型摩擦磨損試驗機(jī), 在轉(zhuǎn)速為200r/min、時間為30min及干摩擦滑動條件下, 測定試樣在不同填料含量、不同載荷作用下的磨損質(zhì)量損失(用精度為0.1 mg的光電分析天平稱出) 及摩擦因數(shù)(通過計算摩擦力矩計算) 。對偶件為45#鋼環(huán), 其尺寸為<45mm ×10mm, 表面粗糙度為R_a0.08～0.12μm。用JSM-6300型掃描電子顯微鏡( SEM) 對軟碳填充復(fù)合材料磨損表面的形貌進(jìn)行觀察分析, 硬度用HR2150A洛氏硬度計測量。

2、試驗結(jié)果與討論

2.1、材料的硬度

　　表1為不同含量軟碳PTFE復(fù)合材料的洛氏硬度。從表中可知: 隨軟碳含量的增加, PTFE復(fù)合材料的洛氏硬度逐漸增大, 說明軟碳能提高PTFE復(fù)合材料的硬度。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時, 硬度增加1.5～1.6倍, 增加幅度變化并不明顯, 而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時硬度較大, 約為純PTFE的2.4倍。增強(qiáng)材料和基體材料組成的復(fù)合材料, 其硬度特性主要由復(fù)合材料的組元性能和組元間的結(jié)構(gòu)性能所決定。

表1　不同含量軟碳填充PTFE復(fù)合材料的硬度

　　軟碳作為增強(qiáng)材料, 在復(fù)合材料中作為主要承載物質(zhì), 以網(wǎng)絡(luò)狀在基體中均勻分散分布, 由于其有高的比強(qiáng)度和彈性模量, 能有效地阻止復(fù)合材料塑性變形的發(fā)生, 使體系的強(qiáng)度提高。且隨著含量的增加, 在復(fù)合材料中網(wǎng)狀分布更加密集, 基體材料塑性變形的程度更小, 其強(qiáng)度增大。但是由于填料與基體的結(jié)合是機(jī)械結(jié)合, 復(fù)合材料中基體與填料的界面會存在缺陷, 含量過高可能反而會降低復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度等機(jī)械特性。

圖1 PTFE在不同載荷下的磨損質(zhì)量損失

2.2、摩擦磨損性能

　　圖1為PTFE在不同載荷下的磨損質(zhì)量損失。圖2(a)為軟碳填充PTFE復(fù)合材料在不同填料含量下的磨損質(zhì)量損失。從圖中可以看出, 載荷一定時, 復(fù)合材料的磨損量隨軟碳含量的增加而減小, 說明軟碳的加入可以大大提高PTFE的耐磨性。PTFE復(fù)合材料的磨損量相比純PTFE下降了1～2個數(shù)量級。但當(dāng)軟碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過7%時, 磨損量隨含量的變化不大, 甚至在軟碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時有所增加, 這可能是由于顆粒含量的增加一方面阻礙了聚合物基體產(chǎn)生黏著磨損, 提高了復(fù)合材料的耐磨性能; 另一方面, 隨顆粒含量增加, 復(fù)合材料的磨損以磨料磨損為主, 在磨損過程中會產(chǎn)生纖維脫落, 成為松散磨料,顆粒含量增加的同時松散磨料的數(shù)目也逐漸增大, 在一定程度上加劇了對復(fù)合材料的磨料磨損, 正反兩方面作用的結(jié)果必然存在最佳顆粒含量, 在本試驗條件下PTFE基復(fù)合材料中顆粒的最佳含量為7%。在填料含量相同時, 隨著載荷的增加, 磨損量也增加。

圖2 軟碳填充PTFE復(fù)合材料在不同填料含量下的磨損質(zhì)量損失